2.1.2 现场总线通信技术

基于实时工业以太网的高速实时现场总线NCUC-Bus，采用PHY+FPGA结构模式，由FPGA硬件实现整个协议，满足全数字高档数控系统的强实时、高可靠性和强同步的通信要求。NCUC-Bus采用主-从通信方式，网络中拥有一个主站设备（主站）和多个从站设备（从站）。主站与从站依次连接，可形成双环形、线形或星形网络拓扑结构。

NCUC-Bus设计了一种全新的环形网络结构的节点时间同步方法，采用硬件全局时钟同步技术，实现环形网络中各站点的精确时间同步，且只占用极小的通信带宽，保证了现场总线的强实时性要求，为实现高速高精度运动控制提供高速信息通道。

NCUC-Bus采用链路冗余、数据重传、动态CRC校验等机制保证通信的正确性和可靠性。当系统采用环形网络拓扑结构时，环形中的两条链路同时进行数据传输，其中一条链路为冗余数据链路，当一条链路上的数据传输出错时，可以直接采用另外一条链路上的冗余数据。

NCUC-Bus采用“飞读”方式。当网络数据传输时，不需要从站接收完整个数据包，而是在数据报文通过本站点时，根据站点的地址信息，动态读取本站点的数据报文，同时将需要发送的数据在线插入至数据报文中，并发送至下一个节点。整个数据包的接收和发送是一个动态过程，数据包可以不停留地依次经过各个从站，从而实现较小的通信周期。

NCUC-Bus总线采用时钟同步矫正技术，时钟同步精度可保证在100ns以内；最短通信周期可达50μs（8节点）；单台设备最多可连接128个网络节点，网络架构如图2-9所示。

图2-9 NCUC-Bus现场总线网络架构

NCUC-Bus现场总线通信模块用于为数控系统与伺服驱动单元之间提供一条畅通的数据通道。现场总线通信模块用于与远程计算机进行交互。两个模块通过一个协议转换模块连接起来，实现NCUC-Bus现场总线与其他现场总线互相通信。拓扑结构模块用于识别网络拓扑结构，支持多种网络拓扑连接。故障诊断模块用于发现和修复装置的通信故障。协议转换模块、拓扑结构模块和故障诊断模块共同构成了MCU（微控制器）模块，架构如图2-10所示。

图2-10 NCUC-Bus协议转换拓扑架构

硬件结构采用DSP+FPGA+PHY结构，DSP和FPGA是控制核心，PHY是网络物理层数据收发器。DSP采用TI的TMS320F2812控制器，FPGA采用altera的EP2CQ208系列可编程器件。主要硬件模块包括DSP模块、FPGA模块、静态存储器（SRAM）、网络端口模块和外围电路等部分，NCUC-Bus协议转换硬件架构如图2-11所示。

图2-11 NCUC-Bus协议转换硬件架构